NaCl处理对荞麦芽苗类黄酮生物合成与抗氧化系统的调控机制及功能食品开发潜力

《Plants》：Effects of NaCl Treatment on Flavonoid Biosynthesis and Antioxidant System During Buckwheat Germination Miaoyao Yu, Meixia Hu, Dehcontee Diana Adams, Meilin Wang, Zhengfei Yang, Jiangyu Zhu and Yongqi Yin

本文探讨了NaCl胁迫处理对荞麦芽苗生长、抗氧化系统及类黄酮生物合成的双重影响。研究发现，适宜浓度（80 mM）的NaCl处理虽抑制芽苗生长（表现为鲜重下降、丙二醛(MDA)和过氧化氢(H2O2)水平升高），但能显著激活其抗氧化防御系统（提升超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性及基因表达），并上调苯丙烷代谢途径关键酶（如苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸-4-羟化酶(C4H)、4-香豆酰辅酶A连接酶(4CL)、查尔酮异构酶(CHI)）的活性与基因表达，从而在发芽第3天使总类黄酮与总酚含量达到峰值。这为开发富含类黄酮的功能性荞麦芽食品提供了理论依据。

　　

NaCl处理对荞麦芽苗类黄酮生物合成与抗氧化系统的影响研究

1. 引言

类黄酮作为植物重要的次生代谢产物，在植物响应生物与非生物胁迫中扮演着关键保护化合物的角色。盐胁迫作为一种常见的非生物胁迫，已被证实能够促进植物中生物活性物质的积累。荞麦作为一种新兴的功能性食品原料，富含类黄酮活性化合物。先前研究表明，发芽能增强荞麦中类黄酮生物合成途径关键酶的活性与转录表达。然而，NaCl处理对荞麦芽苗类黄酮生物合成的调控机制及其对抗氧化系统的影响尚未被深入探究。本研究旨在阐明NaCl处理如何调控荞麦芽苗的类黄酮生物合成，并探索其相关的分子机制，为开发富含类黄酮的荞麦芽原料食品加工提供理论基础。

2. 结果

2.1. 生长状态、MDA含量与H₂O₂水平

NaCl处理显著抑制了荞麦芽苗的生长。如图所示，与对照组(CK)相比，NaCl处理下3日龄芽苗的鲜重降低了29%。同时，作为植物胁迫程度指示剂的丙二醛(MDA)和过氧化氢(H₂O₂)含量在NaCl处理下也显著升高。在3日龄芽苗中，MDA和H₂O₂含量分别比CK组增加了35.29%和52.94%，达到峰值。这些结果表明NaCl处理对荞麦芽苗造成了氧化胁迫，抑制了其生长。

2.2. 总酚含量与总类黄酮含量

NaCl处理显著促进了荞麦芽苗中总酚和总类黄酮的积累。在CK条件下，总酚和总类黄酮含量在3日龄时达到峰值。而NaCl处理使这两种物质的含量在3日龄时进一步提升至最高水平，其中总类黄酮含量达到1476.54 μg/g FW。这表明NaCl处理是荞麦芽苗应对盐胁迫的一种适应性策略，显著促进了酚类化合物和类黄酮的生物合成与积累。

2.3. 抗氧化能力

通过ABTS和DPPH自由基清除能力评估抗氧化活性。结果显示，无论是CK还是NaCl处理，均在发芽第3天达到最高清除率。并且，NaCl处理进一步提升了芽苗的抗氧化能力，在3日龄芽苗中，ABTS和DPPH清除率分别为60.26%和63.28%。这证明外源胁迫成功激活了荞麦芽苗的抗氧化系统。

2.4. 抗氧化酶相对活性及相关基因表达水平

NaCl处理显著增强了荞麦芽苗中关键抗氧化酶——过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性。在3日龄芽苗中，CAT、POD和SOD活性分别达到454.98 U/g FW、925.78 U/g FW和51.95 U/g FW，相比CK组分别提高了1.40倍、1.08倍和1.18倍。与此同时，编码这些酶的基因（FeCAT、FePOD、FeSOD）的相对表达水平也显著上调，分别是对照组的1.88倍、3.30倍和5.7倍。这些结果表明，NaCl处理通过同时提高抗氧化酶活性和相关基因表达，显著强化了芽苗的抗氧化系统。

2.5. 类黄酮生物合成关键酶活性及其对应基因的相对表达水平

NaCl处理对类黄酮生物合成途径中的关键酶产生了显著影响。在3日龄芽苗中，苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸-4-羟化酶(C4H)、4-香豆酰辅酶A连接酶(4CL)和查尔酮异构酶(CHI)的活性均达到峰值，且显著高于CK组。相应地，参与类黄酮合成的关键基因（FePAL、FeC4H、Fe4CL、FeCHI、FeF3H、FeCHS）的表达水平也因NaCl处理而显著上调。这明确表明NaCl处理能显著增强荞麦芽苗中类黄酮生物合成关键代谢酶的活性，其分子基础是相关基因表达的上调。

2.6. NaCl处理对荞麦芽苗胁迫响应基因相对表达水平的影响

NaCl处理还显著上调了胁迫响应基因的表达。与CK相比，NaCl处理组中盐过度敏感蛋白1基因（SOS1）和液泡膜Na⁺/H⁺逆向转运蛋白基因（NHX1）的表达量持续上调。至第5天，SOS1和NHX1的相对表达量分别是对照组的19倍和49.45倍。这表明荞麦芽苗通过分子调控适应盐胁迫，但这些机制与类黄酮生物合成的直接联系仍需进一步验证。

3. 讨论

本研究证实，NaCl处理通过激活荞麦芽苗的抗氧化防御系统来应对盐胁迫诱导的氧化损伤。活性氧(ROS)的积累（表现为H₂O₂和MDA升高）触发了抗氧化酶（SOD、POD、CAT）系统，其活性和基因表达同步增强，以清除过量ROS。与此同时，作为重要抗氧化分子的类黄酮，其生物合成途径——苯丙烷代谢被显著激活。关键酶（PAL、C4H、4CL、CHI）活性及其编码基因表达的上调，共同驱动了类黄酮的大量积累。这被认为是植物在胁迫下的一种保护性代谢重编程。研究采用的“平田2号”荞麦品种在80 mM NaCl处理3天后达到类黄酮积累峰值，这与不同品种和发芽条件导致的差异有关。NaCl处理在提升活性成分的同时抑制了芽苗生长，这提示在实际应用中需平衡产量与品质。未来的研究可结合转录组学、蛋白质组学等多组学技术，并关注转录因子调控，以更全面揭示NaCl调控荞麦类黄酮富集的分子网络。

4. 材料与方法

实验选用“平田2号”荞麦种子，经消毒后于30°C暗培养发芽。设置对照组（CK，蒸馏水喷洒）和NaCl胁迫组（80 mM NaCl溶液喷洒）。分别在发芽第1、3、5天取样。测定指标包括芽苗生长（鲜重）、氧化胁迫指标（MDA、H₂O₂）、活性成分（总酚、总类黄酮）、抗氧化能力（ABTS、DPPH自由基清除率）、酶活性（抗氧化酶SOD、POD、CAT；类黄酮代谢酶PAL、C4H、4CL、CHI）以及相关基因的表达水平（qRT-PCR分析）。所有实验均设置三次生物学重复，数据以均值±标准差表示，采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey检验进行显著性分析（p < 0.05）。

5. 结论

本研究发现在80 mM NaCl处理3天后，荞麦芽苗的总类黄酮和总酚含量达到最高水平。NaCl处理显著上调了苯丙烷代谢途径关键酶的活性及相关基因的表达，并同步增强了抗氧化酶系统（SOD、POD、CAT）的活性与基因表达。尽管NaCl处理抑制了芽苗的生长（表现为鲜重下降，MDA和H₂O₂含量升高），但它成功激活了荞麦芽苗的胁迫防御与次生代谢应答。该研究为通过定向胁迫处理生产富含类黄酮、高抗氧化活性的功能性荞麦芽食品原料提供了重要的理论依据和实践指导。